采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性因素分析

采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性因素分析作者：李日富梁运培欧聪牟景珊摘要：以淮南矿区张北矿地面钻井抽采采空区瓦斯试验为背景，通过对比分析淮南矿区各试验钻井抽采数据，运用数值模拟的手段，分析讨论了采空区上覆岩层在采动影响下的时空运移、破坏规律，在此基础上对影响地面抽采钻井稳定性的主要参数进行了分析，并总结出提高地面抽采钻井稳定性的相关建议，对采空区瓦斯抽采技术的研究和推广应用具有一定的指导意义。关键词：地面钻井；采空区；瓦斯抽采；钻井稳定性；采场覆岩近年来，随着煤层开采深度的不断增加，原来无煤与瓦斯突出危险的煤层变为煤与瓦斯突出危险的煤层，煤层瓦斯灾害已经成为制约我国煤炭企业持续发展的首要问题之一，寻求更加安全、有效的煤层瓦斯治理方法日益迫切。同时，煤层气作为一种高效、清洁的能源已经越来越受到人类的重视。在能源危机日益严重的当今社会，最大限度地开采利用地下煤层瓦斯意义重大。开采煤层气的方法有2类，即采前预抽和采后卸压抽采。瓦斯抽采方法的选择主要决定于煤层的地质构造、透气性、瓦斯含量以及煤层钻进成本等因素。我国的煤层透气性普遍偏低，采前预抽效果较差。而在采空区深部瓦斯富集，其瓦斯最高浓度为工作面瓦斯浓度的几十倍甚至上百倍，采空区的卸压瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要来源之一。因此，利用地面钻井进行采空区瓦斯抽采是行之有效的方法。1地面钻井抽采瓦斯的原理地面钻井抽采采空区瓦斯是近年来煤炭行业新兴的煤层瓦斯抽采技术之一，在美国及澳大利亚的许多矿井得到了成功应用。采用地面钻井抽采采空区瓦斯的原理：由于受煤层采动影响，工作面上覆岩层产生的移动裂隙可分为“竖三带”和“横三区”(见图1)。在工作面推移过程中，采空区覆岩中的弯曲下沉带内产生大量离层、裂隙，增大了煤层透气性，成为煤层释放瓦斯的流动通道，通过将地面钻井打进裂隙带内，将采空区瓦斯抽采至地面。图1采煤工作面上覆岩层沿工作面推进方向的分区2现场抽采试验2.1试验工作面情况进行地面钻井抽采试验的11418工作面为张北矿的首采工作面，工作面宽240m，长1320m。开采的8号煤层均厚3.2m。煤层沿工作面推进方向向上倾斜2o～3o。工作面上覆岩层以厚层的第四系沉积岩为主。从地面到基岩为400m厚的第四系沉积岩，且含水层、断层发育，地质构造较复杂。2.2地面钻井施工参数设计本次试验施工了2个钻井，钻井通过3个钻进和装套管阶段完成。1#钻井在距开切眼100m、上风巷50m处布置，孔深526.41m，终孔位置距8#煤层顶板5m，其具体参数如下：第一阶段，钻孔深度0～417.5m，Ф311mm，内装Ф245mm×10mm的套管，并注浆加固；第二阶段，钻孔深度417.5～480.0m，Ф216mm，内装Ф177mm×9.19mm的套管，并注浆加固；第三阶段，钻孔深度480.0～508.6m，Ф190mm，内装Ф39.7mm×9.17mm的石油管，其总长为38.997m。槽管(Ф139.7mm×9.17mm)和整体套管(Ф177mm×9.19mm)重叠部分的长度为10.397m(见图2)。2#钻井在距开切眼943m、上风巷37m处布置，具体参数与1#钻井大体相同。图2张北矿11418工作面地面钻孔结构设计施工图3地面钻井抽采考察及分析迄今为止，淮南矿区已经先后试验了12个地面瓦斯抽采钻井，部分钻井实验数据如表1所示。表1地面钻井抽采工作情况从表1中各矿井的试验数据比较可以看出，试验抽采钻井都是在回采工作面推过30m后开始破坏，但是靠近风巷侧的钻井有效工作日期较短，钻井破坏时工作面推过距离较短，而位于工作面中心线的钻井有效抽采日期相对较长，钻井破坏时工作面推过距离较长(在图3中可以更直观地看到这点)。试验表明，随着钻井布置位置向风巷的偏移，抽采钻井井筒的稳定性呈现出减弱趋势，钻井布置位置不宜过分靠近风巷。在正常工作期间，各钻井均抽采出了高浓度的瓦斯，但是靠近风巷侧的钻井瓦斯抽采流量相对较大，而位于工作面中心线的钻井瓦斯抽采流量相对较小；表明采空区中部的裂隙由于顶板冒落重新压实而靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育，从而在采空区内部形成了“外空中实”的采动裂隙环形圈，采空区边缘的卸压瓦斯聚集量比中部要高，因此，钻井终孔点布置在偏离采空区中部、稍微偏向风巷侧有利于瓦斯抽采。图3工作面与破坏钻孔空间位置图4采空区覆岩移动分析及钻井参数确定影响采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性的因素主要分为外界客观因素和钻井自身参数2大类。外界客观因素包括地质条件、开采方式、覆岩移动等，由于钻井为采动后抽采采空区瓦斯，因此覆岩移动影响更为突出。钻井自身参数包括钻井位置、井简直径、护井方式、井体结构等，钻井位置与井简直径的影响尤为重要。4.1覆岩采动影响位移分析从试验结果可以发现，钻井中途破坏是影响试验顺利进行的重要因素。钻井破坏的根源在于煤层覆岩的错动、破坏，其中水平移动的剪切作用对钻井稳定的影响尤为严重。为此，用COSFLJOW软件模拟了11418工作面推进过程中，距风巷不同距离处的覆岩水平移动情况。图4和图5分别为11418工作面推过2#钻井40m和120m时，用COSFLOW模拟的距离风巷不同位置上覆岩层的水平移动曲线。从图4可以看出当工作面推过钻井40m时，位于采空区中部的钻井附近的采空区覆岩水平移动量最大，最高值近250mm，而随着岩层位置向风巷侧方向靠近，水平移动值逐渐减小。从图5可以看出当工作面推过钻井120m时，距离风巷40m处的钻井附近的采空区上覆岩层水平移动量最大，最高值可达370mm，而随着岩层向采空区中部方向靠近，水平移动值逐渐减小。图4工作面推过11418-2钻井40m时覆岩的水平移动图5工作面推过11418-2钻井120m时覆岩的水平移动比较图4、图5可以揭示出，在整个采动过程中，由于老顶岩层来压破断，采空区中部上覆岩层中首先发生大的水平移动破坏，但是随着工作面持续向前推进，采空区中部覆岩的水平移动量稍有增加，而靠近边缘位置的覆岩水平移动量增加幅度却相对较大，当工作面推过钻井一定距离后，靠近采空区外围的上覆岩层错动破坏程度就会超过采空区中部，最终采空区外围覆岩破坏程度要比中部剧烈、复杂。通过图4、图5的比较可以看出，在工作面的整个推进过程中，采空区上部距离地表325～375m的覆岩水平移动最为剧烈，表明此段范围内的钻井井简最容易因岩层水平错动而发生剪断或者挤压破坏；对11418-1钻井的数值模拟结果也显示出在此地段的覆岩水平移动最为剧烈。查阅11418工作面地质资料发现，此范围是表土层与基岩交界处。对已破坏的11418-1钻井重新钻探测量发现钻井首发故障的实际深度在270～290m，该故障层位于砂岩和软泥岩的交界面附近，揭示出在岩层交界面附近，岩层在采动影响下容易发生大的错动，此范围的钻井井筒应重点保护和监测。4.2钻井参数的选定现场试验发现，地面钻井位置与井简直径是关系到抽采技术成功运用的关键因素，不仅关系到抽采效果的好坏，而且还决定着钻井抽采有效期的长短。因此，选定合理的钻井布置位置以及井筒直径至关重要。4.2.1钻井位置的确定通过现场试验数据和数值模拟分析可知，随着钻井布置位置向风巷偏移，井筒的稳定性呈现出有规律性的减弱趋势；从稳定性方面考虑，钻井位置不宜过分靠近风巷。而采空区内部的采动裂隙具有“外空中实”的环形圈特点,靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育，采空区外围的卸压瓦斯聚集量比中部要高；从抽采效果方面考虑，钻井布置在靠近风巷侧更有利于瓦斯抽采。综合分析结果可以推定：兼顾抽采效果及钻井稳定两方面的因素，可以将抽采钻井的位置选定在稍微偏向风巷的区段，即布置在距离同风巷60～80m处。4.2.2钻井井筒直径的确定由于11418工作面上覆岩层含水层发育，一旦钻井套管破裂，水浆、泥沙就有可能进入套管，堵塞瓦斯抽采通道，中断现场抽采。因此为了保护抽采套管内部不受损坏，钻井设计直径应不小于套管直径与覆岩最大水平移动值之和，即钻井直径大于等于套管直径＋覆岩最大水平移动值。同时，套管与钻井之间的空隙可以考虑采用具有流变特性的弹性材料充填加固，以降低岩层移动对井筒的剪切破坏作用。另外，由于数值模拟中工作面为拟连续开采，实际上工作面在通过钻井时可以采用加快采掘速度等方法减少采动影响，而且实际条件下钻井套管及其与钻井之间的充填材料会起到一定的锚固作用，削弱岩层移动，因此，模拟的采空区上覆岩层位移量与实际情况有一定差异。矿井在采用地表钻井抽采采空区瓦斯时，应根据监测钻井的实际资料进行其他钻井的设计优化，以期更好地实现节约施工成本，实现煤与瓦斯共采的目的。5结论1)在岩层交界面附近，岩层在采动影响下容易发生大的水平错动，对维护抽采井筒的稳定性不利，应该重点保护和监测位于交界面附近的钻井井筒。2)通过试验数据和数值模拟分析可知，随着钻井布置位置向风巷偏移，井筒的稳定性呈现减弱趋势，钻井布置位置不宜过分靠近风巷。而靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育，钻井终孔点控制在靠近风巷侧有利于瓦斯抽采。兼顾抽采效果及钻井稳定两方面的因素，对于开采宽度为240m左右的工作面，地面抽采钻井的位置确定在距离风巷60～80m处。3)采空区上覆岩层含水层发育时，钻井直径应不小于套管直径与覆岩最大水平移动值之和，即钻井直径大于等于套管直径＋覆岩最大水平移动值。套管与钻井之间的空隙可以考虑采用具有流变特性的弹性材料充填加固，以降低岩层移动对井简的剪切破坏作用。参考文献：[1]淮南矿业(集团)有限责任公司，煤炭科学研究总院重庆分院，澳大利亚联邦工业科学院．地面钻井抽采采动区域瓦斯技术研究[R]．重庆：煤炭科学研究总院重庆分院．2006．[2]刘玉洲，陆庭侃，于海勇．地面钻孔抽放采空区瓦斯及其稳定性分析[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(增1)：4982-4987．[3]胡千庭，梁运培，林府进．采空区瓦斯地面钻孔抽采技术试验研究[J]．中国煤层气，2006，3(2)：3-6．[4]井多胜，徐传田．地面钻孔抽放瓦斯技术的试验[J]．煤炭技术，2006，25(6)：84-85．信息来源：矿业安全与环保2008.03(责任编辑：袁辉)